電纜牽引供電方式電氣特性研究

肖楚鵬，張靖宇，劉大崗，夏 亮

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)電氣化鐵路發(fā)展迅速，但多集中于中東部地區(qū)。而面積遼闊的西部及高原地區(qū)，電氣化鐵路發(fā)展仍然薄弱。經(jīng)初步研究，電纜牽引供電方式凈空和絕緣要求低，牽引網(wǎng)供電臂長(zhǎng)，而且電纜埋于地下，免維護(hù)性好，適用于西部及高原地區(qū)。而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力電纜應(yīng)用日益普及，價(jià)格有一定程度的降低。因此，研究電纜牽引供電方式，對(duì)電氣化鐵路的建設(shè)和發(fā)展具有一定的意義。

1 電纜牽引供電方式

電纜牽引供電方式是一種新型的電氣化鐵路供電方式，該供電方式采用雙芯電力電纜沿鐵路線路埋設(shè)，內(nèi)部芯線之一作為供電線與接觸線連接，另一芯線作為回流線與鋼軌連接，每隔5～10 km做一個(gè)分段，如圖1所示[1]。

圖1 電纜牽引供電方式原理示意圖

電纜牽引供電方式的饋電線和回流線在同一電纜中，間隔很小，使得互感系數(shù)很大。電力電纜的阻抗比接觸網(wǎng)和鋼軌的阻抗小得多，牽引電流和回流基本從電纜中流過(guò)，電纜中 2根芯線電流相等，方向相反，二者形成的磁場(chǎng)互相抵消，對(duì)鄰近的通信線路干擾很小[2]。

2 電纜供電方式牽引網(wǎng)電流分配

電纜供電方式牽引網(wǎng)各區(qū)段電流分布見(jiàn)圖2。

圖2 電纜供電方式牽引網(wǎng)各區(qū)段電流分布示意圖

對(duì)有車區(qū)段（BC）列回路電壓方程和電流方程：

解該方程組有：

且有：

對(duì)于無(wú)車區(qū)段，同樣可以建立電流和電壓方程：

解方程組可得：

3 電纜供電方式牽引網(wǎng)仿真模型

牽引變電所的主要設(shè)備包括牽引變壓器、電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、避雷器等，由于仿真模型主要考慮電氣特性，變電所中的設(shè)備只考慮牽引變壓器以及牽引變電所110 kV進(jìn)線和接觸網(wǎng)，即可組建牽引變電所的仿真模型。

電纜牽引網(wǎng)仿真模型采用8根導(dǎo)線等值模型，其組成為上行接觸線（C1）、上行鋼軌（T1）、上行電纜饋線（F1）、上行電纜回流線（R1）和下行接觸線（C2）、下行鋼軌（T2）、下行電纜饋電線（F2）、下行電纜回流線（R2）。

通過(guò)MATLAB/SIMULINK中的“Series RLC Branch”模塊和“Mutual Inductance”模塊，可以搭建電纜供電方式牽引網(wǎng)模型，并將其分裝成模塊。

4 仿真模型分析結(jié)果

仿真模型基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1和表2。

表1 牽引變壓器參數(shù)表

表2 線路參數(shù)表

牽引網(wǎng)模型中，設(shè)置牽引網(wǎng)長(zhǎng)度100 km，每隔 10 km將電纜饋線和回流線分別與接觸線和鋼軌橫向并聯(lián)并進(jìn)行分段。

4.1 牽引網(wǎng)短路阻抗分析

根據(jù)表 1和表 2中參數(shù)，取電纜截面為240 mm2，對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行短路仿真，得出測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，由于電纜饋電線和回流線與牽引網(wǎng)接觸線和鋼軌并聯(lián)，可以使?fàn)恳W(wǎng)阻抗大大降低，效果明顯。短路阻抗整體趨勢(shì)呈馬鞍形增長(zhǎng)，同時(shí)不同橫連分段的短路阻抗相差不大。因此，在工程應(yīng)用中，電纜分段距離可以稍大，取10 km分段可以滿足工程精度需要。

圖3 電纜牽引網(wǎng)短路阻抗曲線圖

4.2 電流分配系數(shù)

4.2.1 無(wú)車區(qū)間電流分配系數(shù)

根據(jù)仿真模型，對(duì)牽引網(wǎng)無(wú)車區(qū)段接觸線和電纜饋線電流之比（分流系數(shù)）進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，可以看出隨著電纜截面的增大，電纜阻抗降低，電纜傳輸?shù)碾娏髟絹?lái)越大。當(dāng)電纜截面為240 mm2時(shí)，電纜電流為接觸線電流的3.496 8倍，可以大大降低電能的損耗，提高供電能力。

圖4 無(wú)車區(qū)間電流分配系數(shù)圖

4.2.2 有車區(qū)間電流分配系數(shù)

在有車區(qū)間內(nèi)，固定車輛取流位置（93.3 km），當(dāng)電纜芯線面積變化時(shí)，接觸線中的電流要大于電纜饋電線的電流，而且跟電纜芯線截面的關(guān)系不大（見(jiàn)圖 5）。因?yàn)樵谟熊噮^(qū)間內(nèi)，車輛電流由取流點(diǎn)前后接觸線提供電流，電纜中的電流主要為取流點(diǎn)遠(yuǎn)離變電所接觸線中的電流。

圖5 有車區(qū)間電流分配系數(shù)圖

4.2.3 車輛位置變化時(shí)電流分配系數(shù)

在牽引網(wǎng)仿真模型中，以10 km為分段區(qū)間，電纜芯線截面為240 mm2，當(dāng)車輛位于分段區(qū)間不同位置時(shí)，電流分配系數(shù)如圖6所示。由圖6可知，車輛越靠近分段區(qū)間起點(diǎn)時(shí)，接觸線中電流越大；反之，越靠近分段區(qū)間終點(diǎn)，電纜中電流越大。

圖6 車輛位置變化時(shí)電流分配系數(shù)圖

由上述仿真結(jié)果可知，電纜牽引供電方式中電纜饋電線和回流線與接觸線和鋼軌的并聯(lián)將大大增強(qiáng)牽引網(wǎng)的供電能力，在正常工作條件下，大部分電流將從電纜饋電線和回流線中流過(guò)，降低了接觸線和鋼軌電流，從而降低鋼軌電位，減小對(duì)沿線通信的干擾影響。

4.3 牽引網(wǎng)壓降

4.3.1 牽引網(wǎng)空載電壓仿真結(jié)果

設(shè)置牽引網(wǎng)供電臂為 100 km，電纜截面為240 mm2。從圖7可以看出，由于電纜的容性效應(yīng)，線路空載時(shí)，牽引網(wǎng)電壓有一定程度的升高。如采用不同截面的電纜，容抗有所增加，電容電流進(jìn)一步加大時(shí)，可通過(guò)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)補(bǔ)償來(lái)降低線路空載電壓的升高。

圖7 牽引網(wǎng)空載時(shí)電壓分布圖

4.3.2 牽引網(wǎng)負(fù)載電壓仿真結(jié)果

設(shè)置牽引網(wǎng)供電臂為100 km，機(jī)車取流點(diǎn)為90 km處，負(fù)載大小為8+j0.8 MV·A，電纜截面為240 mm2。測(cè)試結(jié)果如圖8所示，從該圖可以看出，負(fù)荷點(diǎn)位于90 km處時(shí)，電壓降最大，相對(duì)額定電壓降幅為8.545%，但電壓仍在合格范圍內(nèi)。

圖8 牽引網(wǎng)負(fù)載時(shí)電壓分布圖

從上述仿真可以看出，電纜供電方式供電能力較強(qiáng)，在長(zhǎng)達(dá)100 km的供電臂末端，其牽引網(wǎng)電壓降在允許范圍內(nèi)。相比于直接供電和AT供電方式，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，適用于國(guó)內(nèi)西部地區(qū)尤其青藏等高原地區(qū)。

5 結(jié)論

本文研究了電纜牽引供電方式，對(duì)牽引網(wǎng)電氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)MATLAB/SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)，仿真分析了牽引網(wǎng)短路阻抗、電流分配系數(shù)、牽引網(wǎng)空載和負(fù)載條件下的供電能力等電氣特性。牽引網(wǎng)的電氣特性決定其供電系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)該文的研究分析，可以為電纜牽引供電方式的工程應(yīng)用提供參考。

[1]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[2]李群湛，易東，賀建閩.交流電氣化鐵路牽引電纜供電系統(tǒng)分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，（4）.

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